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智慧港口集装箱起重机关键技术的应用对策

  2021-10-26    136  上传者:管理员

摘要:智慧港口是以云计算、大数据、物联网、移动互联网、智能控制等新一代信息技术与港口运输业务深度融合为核心,能够在更高层面上实现港口资源优化配置,本文针对智慧港口关键装备集装箱起重机整机轻量化技术、主梁优化结构设计技术、复合防摇摆技术、CMS信息化管理技术以及安全冗余控制技术等开发而成。利用图像识别以及射频识别技术,获取集装箱和集卡的信息,结合起重机上的GPS设备和起重机高精度传感器定位技术,实现对集装箱的识别和精确定位,通过互联网技术对集装箱的整个物流过程进行追踪和定位,基于智能算法实现起重机吊运路径的自动优化,实现智能港口集装箱吊装的远程化、无人化操作。

  • 关键词:
  • 关键技术
  • 智慧港口
  • 港口资源
  • 资源配置
  • 起重机
  • 集装箱
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1、问题提出


智慧港口的高速发展以及现代化的集装箱运输体系建设,要求集装箱运输高效、安全、快速、高度数字化、信息化管理。然而我国大部分集装箱起重物流装备相对简陋传统,集装箱运输过程中的信息识别、流转仍然依赖于货单,集装箱的信息收集、跟踪监控、库区管理以及集装箱搬运装备的运行总体处于手工或者半手工状态,作业效率低、差错率高,难以满足日益增加的装卸工作量以及智慧港口高度信息化、智能化的作业需求。针对现代化物流业对集装箱搬运设备高效率、高智能化、信息化的技术需求,通过对数字孪生技术、互联网技术、智能控制技术、信息管理技术和智能优化技术等进行了深入研究,研发了系列智慧港口集装箱起重装备,产品具有自动化程度高、防摇效果好、定位精度高、作业效率高、运营成本低等特点,可实现远程操作及群控作业,满足了智慧港口对相关设备高智能化、信息化的要求。


2、智慧港口集装箱起重机整体结构关键技术研发


综合运用互联网技术、具有自主知识产权的整机轻量化技术、主梁优化结构设计技术、复合防摇摆技术、CMS信息化管理技术以及安全冗余控制技术等开发而成。利用图像识别以及射频识别技术,获取集装箱和集卡的信息,结合起重机上的GPS设备和起重机高精度传感器定位技术,实现对集装箱的识别和精确定位,通过互联网技术对集装箱的整个物流过程进行追踪和定位,基于智能算法实现起重机吊运路径的自动优化,相继开发出门式、桥式、轮胎式多种类型集装箱起重物流装备,如图1、2、3所示,实现堆场空间的合理利用,以提高货物出入堆场的效率,实现智慧港口集装箱高效吊装和转运作业。

采用变密度法,基于SIMP密度材料插值模型建立了箱型结构件拓扑优化的位移和频率约束轻量化模型,使用MATLAB函数和逆迭代法两种方法提取结构频率,通过灵敏度过滤来抑制数值不稳定现象,使用OC准则迭代求解优化结果。在结构静态拓扑优化设计的基础上,研究结构的动力学拓扑优化设计问题,对于提高结构的动态响应能力具有重要的意义。通过编写的MATLAB程序实现箱形梁的拓扑优化,使箱形梁结构整体刚度得到提高。


3、基于数字孪生和大数据技术的起重装备互联网管理平台研发


3.1 起重装备互联网大数据远程运维管理平台,实现远程作业管理、运维和故障诊断

1)基于数字孪生的起重装备高保真建模方法,结合起重机操作手势标准,实现了不同工况条件、不同场景的模型都可以在数字孪生体上加载,针对一种基于数字孪生的起重装备人-机交互安全预警与控制方法,建立了基于改进深度学习算法(YOLOV3)的人员快速精准识别和人机距离测定方法,开发了人-机交互安全预警系统孪生系统,依托大数据和传感器数据采集技术,开发起重装备互联网大数据远程运维管理平台,实现远程作业管理、运维和故障诊断,如图3所示。

2) 基于传感器的数据采集系统:主要由主控机、互联网接入设备、传感器系统组成,支持多类型通讯方式。主控机根据不同类型的设备选择嵌入式设备、单片机、工控机和PLC进行数据集成采集,通过互联网接入设备实现采集数据的转发,如图4所示。

3) 基于互联网的起重机远程服务系统:融合了IOT自动化信息管理系统、OAS辅助作业系统、设备运行监控系统、视频监控系统、语音广播系统、安全监管系统以及远程运维服务系统等功能,结合虚拟仿真技术、数字孪生技术和先进数字传感检测和智能控制技术以及智能优化技术,实现了起重机运行状态智能监控、自动化作业控制、集装箱库位管理、远程故障诊断和预测性维护等功能,优化了集装箱的转运路径和仓储利用率,通过平台可查看各区域设备数量、在线设备数、故障报警信息等,售后服务部门可根据设备故障提前与顾客沟通,并根据故障原因执行后续的设备维修管理流程,如图5所示。

4) 产品运行及故障实时监控及在线处理技术:运用人工智能算法实现面向历史数据、实时数据、时序数据的聚类、关联和预测分析,实现事件/报警及通知服务,触发器所产生的报警和事件,一般故障可通过远程参数设置解决,重大故障通过故障树分析法,建立相应的故障分析树,直观反映故障与其成因之间的逻辑关系,建立起重机故障诊断知识库,可快速排除故障,减少故障停机时间,如图6所示。

3.2 基于射频识别技术(RFID)以及视觉识别技术的集装箱信息采集系统,有效精确识别货物信息

集装箱的信息采集、跟踪监控及供应链管理在集装箱运输过程中至关重要,采用视觉识别系统,可以读取集装箱的箱号,采用射频识别技术(RFID)可以读取集装箱以及集卡上的电子标签,采集集装箱信息(图7),然后通过无线通信网络自动采集到中央信息系统。起升机构和大小车运行采用编码器实时采集吊具的三维位置,结合GPS全球定位系统,通过对吊具的定位实现对集装箱位置的定位,从而实现对集装箱的全程追踪、信息共享和可视化供应链管理,消除集装箱在运输过程中可能产生的错箱、漏箱事故,保证了运输的安全性和可靠性,实现货物位置的优化分配,全面提升集装箱运输的服务水平。

3.3 基于数字仿真技术,研发协同作业及码头管理的起重装备调度系统,实现货物的智能调度作业

通过图形化堆场仿真,箱位检测和堆场管理系统PDS,如图8所示,实时确认操作箱位,及时了解工作状态,使得任务调度更加合理。通过与STS和ARMG进行数据通讯,指挥STS/ARMG作业。通过集装箱起重机调度管理系统ARMG-MS,管理和控制整个堆场所有ARMG设备,把TOS相关调度任务解析为ACCS系统可识别的宏指令,调度ARMG进行各类集装箱操作,使同一堆垛内的多台ARMG能够协同作业。ARMG-MS系统依据合适的任务调度策略保证TOS任务高效执行,依据合适的规则分配设备保证任务可靠执行、负载均衡,实时动态安全控制机制保证设备运行安全、高效。

3.4 基于CMS系统的起重机信息化控制管理系统

集成互联网技术、传感器技术、激光扫描技术等多种信息技术,研发了起重机信息化控制管理系统,对起重机进行运行状态监测和控制,并具有集装箱防撞、集卡引导、库区状态扫描等功能。

1)基于关键机械装置电控数据变化预测技术,开发全新的起重机信息管理系统

基于传感器及变送器的数据实时采集技术,研发了起重机管理系统(CMS),如图9所示,能够与可编程控制器(PLC)联合工作提供连续的监控、诊断及依附于起重机操作系统的数据采集,包括交流供电、交流电机控制、操作控制、安全联锁及必要的元件信息(如电机、卷筒等),实现电气系统、起升机构、大车运行机构、小车运行机构电机的温度和工作参数、安全联锁装置、各系统状态数据的储存、显示并记录操作数据等,实现起重机的运行状态监控和管理。

2)基于激光扫描智能识别技术,设计了集装箱防撞控制系统

基于GPS定位及起重机位置实时共享技术,通过PLC运行计算起重机所在轨道上的相对位置和安全距离,基于激光扫描智能识别技术,如图10所示,设计了防碰撞系统,两车之间距离小于设定的安全距离,PLC发出指令控制大车停止动作,防止装卸运行过程产生“碰撞”。

3)集成应用集装箱卡车引导信息化系统,实现集装箱卡车的出入港精确引导

设计了集卡引导系统,如图11所示,通过自动化管理系统(CMS)将集卡所在的通道号、集卡上是否有集装箱、集装箱尺寸等信息告知CPS,通过多视角激光扫描技术,精确计算集卡的位置,采用交通灯和LED数字显示屏提示,引导司机向前、向后移动集卡,快速、准确地停靠到正确位置。该引导系统的信息提示将合并在作业任务信息中,平面X、Y轴误差率<15cm。满足内外集装箱卡车双车道定位的要求。

3.5 开发基于多维平面扫描技术的3D箱形轮廓扫描系统

采用多视角2D扫描仪合成3D技术,如图12所示,在小车架上设计有3个2D扫描仪,对起重机大车行进方向、小车运行两侧方向轮廓信息进行扫描,并计算当前作业区的二维最高障碍数据,同时将数据合成三维箱形轮廓数据,满足智慧港口自动化系统的作业需求。


4、吊装过程箱体姿态控制技术研发


4.1 基于十二绳复合防摇摆关键技术的四维空间运行姿态控制系统

开发了世界首创的电气机械复合防摇摆机构,采用起升防摇一体式钢丝绳缠绕系统,既满足防摇摆功能要求,又可省去单独的防摇缠绕系统,简化了机构,提高了可靠性和稳定性。

4.2 基于起升、防摇一体化设计的十二绳防摇平面姿态控制技术

该防摇摆钢丝绳缠绕系统集起升与防摇功能于一体,独特的缠绕方式使十二根钢丝绳在小车和吊具之间的四个平面内形成六个等腰三角形,如图13所示。其中吊具上架四个角点处有四个滑轮,使从小车卷筒上垂下的钢丝绳穿过滑轮后形成小车方向的斜拉,而在小车上布有导向滑轮将钢丝绳引向大车运行方向,最终利用螺旋扣将钢丝绳固定在吊具上架上。由于钢丝绳在各个方向的斜拉对称并且钢丝绳拉力相等,当起升机构正常起升时,十二根钢丝绳共同均匀受力保证吊具的平稳起升。如图14所示,当吊具和集装箱沿大车或者小车方向摆动时,吊具的水平移动造成摆动方向上的钢丝绳拉力不平衡,合力总是阻止吊物继续摆动,形成防摇效果。由于此防摇原理是利用摇摆自身产生的物理变化来起作用,因此防摇作用明显,干扰因素少。相比于独立式机械防摇系统,此缠绕方式集起升和防摇功能于一体,结构简单,维护工作量小,可靠性高,整体防摇效果突出。

4.3 基于多重模型优化算法的电气防摇摆姿态控制技术

基于弹性模板的非线性插值计算法、非对称平衡三相幅值衰减向量防摇摆控制计算方法、速度和位置双变量防摇摆自动定位同步控制、减速过程运行距离在线重复迭代自学习控制、变减速单侧无限逼近、速度和位置双变量反馈控制等技术,建立实际起重机载荷摇摆的精确数学模型,实现实测起重机载荷摇摆特性和理想悬挂物摇摆特性的数据融合及运行速度平滑变化,并应用于起重机载荷防摇摆控制。同时,该技术定位精度高,实现了预定目标位置一次到位。定位精度误差小于15毫米,摇摆幅度减少95%以上,硬件控制原理如图15所示。该技术为智能化“起重机器人”的研发奠定了基础,整体技术处于国际领先水平。

4.4 双冗余纠错功能的精确定位控制系统和回转姿态控制技术

研发了集装箱吊装多维姿态精度定位系统及行走梁纠偏机构和纠偏程序。起重装备大车采用绝对值编码器和磁钉结合的方式(见图16),两套定位数据可互为校验,通过配置的探测天线可以识别起重机大车的坐标位置,自动运行定位精度可达到±15mm,并且能防止啃轨现象的发生;起升机构配备支持PROFINET通讯的双绝对值编码器实现冗余检测,一编码器安装在电机内部,兼做矢量闭环信号;另一编码器安装在卷筒轴侧,二者相互位置校验,通过相应的编码器相互配合形成3WCS空间坐标定位系统,定位精度可达15mm,实现起升精确定位。

采用双层上旋转小车结构,如图17所示,上机架通过回转支撑和下机架连接结构,可以实现吊具270°回转,同时吊具配置了倾转倾斜系统,可以水平回转±5°,倾斜±3°,通过编码器与PLC的测定计算扭转角度,控制液压缸以及钢丝绳张紧,实现吊具姿态控制;小车设计了线性编码器和绝对值编码器双冗余检测系统,定位精度可达15mm,且不存在累计误差。


5、基于机械、电气复合特性的多冗余高可靠性安全结构和控制技术


包括钢丝绳断绳保护、钢丝绳防叠绕、断轴保护、多重制动保护、双控制系统冗余保护等功能,并采用数字孪生技术,提出一种基于数字孪生的人-机交互安全预警与控制方法。

5.1 钢丝绳断绳保护及防叠绕技术

采用双根钢丝绳设计形式,一端缠绕在卷筒组上,另一端绕过下滑轮组固定在平衡臂上,平衡臂的两端配备缓冲器和检测开关(见图18),在平衡臂倾斜过大或断绳时缓冲器吸收部分能量同时快速发出报警信号,确保一套钢丝绳断裂后另外一套钢丝绳还能平稳保持载荷,实现断绳保护;开发双L型钢丝绳防叠绕结构(图19),配合限位感应器,在钢丝绳发生叠绕时发出报警信号并停止起升机构动作,确保作业安全。

5.2 多重制动及超载保护

按照电控制动、运行制动和安全制动的三级安全保护系统设计原则,各制动系统都能保证额定载荷下在5cm以内的距离完成制动,同时还能保证在1.4倍载荷下吊载物不发生滑移。

5.3 具有双回路保护功能的冗余控制系统

基于安全冗余保护原则,控制核心PLC芯片采用双CPU设计方案,同步与总线控制系统连接;起升机构变频器采用一用一备的冗余设计方案,输入到PLC的重要安全信号也进行冗余设计,避免了因控制系统部件故障造成的系统停机风险,保证起重装备吊运过程安全及可靠。


6、基于多箱转运关键技术的集装箱多箱同步吊装技术研发


研发了专用的多箱同步吊装吊具,如图20所示,可一次吊运重量35t的20英尺集装箱一箱、两箱、三箱,吊运重量35t的20英尺集装箱一箱加重量35t的40英尺集装箱一箱,也可一次吊运重量35t的40英尺集装箱一箱,满足新式车体集装箱高效吊运的要求。


7、结论


采用上述关键技术研发的智慧港口多用途集装箱起重机,实现了对起重装备的远程监测、远程控制、远程故障诊断等运维功能,提升了集装箱起重机的管理水平和服务质量,设备投入运营后客户反映良好,提升了客户的作业效率,减少了客户的人工成本,给客户带来了明显的经济效益,为陆海集装箱枢纽建设提供了性能可靠的物流装备,为我国“一带一路”建设提供了有力的支撑,项目具有较好的经济效益和社会效益,市场竞争力较强。


文章来源:聂福全,聂雨萱,杨文莉,孙喆人.智慧港口集装箱起重机关键技术应用[J].建设机械技术与管理,2021,34(05):46-50.

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